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Rénovation énergétique d’un laboratoire du CNRS Mai 2012

BOULANGER Pauline Page 1

Résumé : Ce projet de fin d’études traite de la rénovation énergétique d’un bâtiment du CNRS de

Strasbourg Cronenbourg qui abrite un laboratoire d’éthologie. Ce bâtiment des années 1970

présente une superficie d’environ 2000 m² sur deux niveaux, il est composé de bureaux, de

laboratoires et d’une animalerie.

Les études menées dans ce projet constitueront une base à la maîtrise d’œuvre, pas encore

définie à ce jour. Nous intervenons ainsi en tant qu’assistants à maîtrise d’ouvrage.

Mon projet, concernant l’étude du bâtiment hors animalerie, se décompose en trois phases.

La première partie concerne le diagnostic énergétique du bâtiment existant à l’aide du

logiciel TRNSYS [1]. Dans un deuxième temps, j’ai étudié des solutions d’amélioration

énergétique de l’enveloppe à partir de ce même logiciel. Enfin, je me suis intéressée au

dimensionnement et au choix d’équipements techniques adaptés aux exigences du client.

Pour cela, j’ai eu l’occasion d’être en contact avec différents fournisseurs.

Abstract : This final year project deals with the energy renovation of a building of the CNRS of

Strasbourg Cronenbourg, which shelters an ethology laboratory. This building of the 70s has

a surface area of approximately 2000 m² divided into two levels. It consists of some offices,

laboratories and an animal housing facility.

The studies I carried out, will establish a base for the project management, which is not still

defined. Thus, we intervene as assistance to the project owner.

My project concerns the study of the whole building except the animal housing facility. It is

divided in three major parts. The first one is an energy diagnosis of the current building by

means of the software called TRNSYS. Then, I try to find some solutions of improvement on

the building envelope. Finally, I look into the sizing and the choice of equipments. For that

purpose, I had the opportunity to work in association with some professionals.



Sommaire : Sommaire : ............................................................................................................................ 2

1. Préambule ...................................................................................................................... 4

2. Introduction .................................................................................................................... 5

3. Présentation générale du projet ...................................................................................... 6

3.1. Présentation du bâtiment......................................................................................... 6

3.2. Démarche suivie ..................................................................................................... 8

4. Diagnostic énergétique du bâtiment actuel ..................................................................... 9

4.1. Objectif et démarche ............................................................................................... 9

4.2. Hypothèses retenues .............................................................................................. 9

4.2.1. L’enveloppe ...................................................................................................... 9

4.2.2. Les températures de consigne ........................................................................10

Les infiltrations ..............................................................................................................11

4.2.3. Les apports internes ........................................................................................11

4.2.4. L’occultation ....................................................................................................12

4.2.5. Production de chaud et de froid .......................................................................12

4.2.6. Les sorbonnes .................................................................................................14

4.3. Estimation des besoins et des consommations en chauffage et en climatisation ....14

4.3.1. Définition des zones thermiques .....................................................................14

4.3.2. Validation du modèle TRNSYS .......................................................................15

4.3.3. Estimation des besoins de chauffage et de climatisation .................................16

4.3.4. Estimation des consommations liées au chauffage et à la climatisation ..........19

4.4. Confort estival ........................................................................................................21

4.5. Conclusion du diagnostic........................................................................................23

5. Solutions d’amélioration énergétique de l’enveloppe .....................................................24

5.1. Objectif et démarche ..............................................................................................24

5.2. Hypothèses de base ...............................................................................................24

5.2.1. L’enveloppe .....................................................................................................25

5.2.2. Les températures de consigne ........................................................................25

5.2.3. Les infiltrations ................................................................................................25

5.2.4. Les apports internes ........................................................................................25

5.2.5. L’occultation ....................................................................................................25

5.2.6. Définition des zones thermiques .....................................................................25

5.3. Estimation des besoins après améliorations ...........................................................26

5.3.1. Variante 1 : Isolation thermique des parois par l’extérieur ...............................26



5.3.2. Variante 2 : Isolation thermique du porte-à-faux ..............................................28

5.3.3. Variante 3 : Changement des huisseries et traitement de l’étanchéité .............28

5.3.4. Variante 4 : Mise en place d’une toiture végétalisée ........................................29

5.3.5. Bilan des résultats obtenus .............................................................................31

5.4. Solution de rénovation retenue ...............................................................................32

5.4.1. Description des actions proposées ..................................................................32

5.4.2. Estimation des besoins de chauffage et de climatisation .................................32

5.5. Conclusion de la recherche de rénovation énergétique de l’enveloppe ..................32

6. Choix et dimensionnement des équipements techniques des laboratoires ....................33

6.1. Traitement par les centrales de traitement d’air ......................................................33

6.1.1. Répartition des centrales de traitement d’air ...................................................33

6.1.2. Dimensionnement des équipements pour un débit « minimal » .......................33

6.1.3. Principe de la compensation ...........................................................................36

6.1.4. Etude de la compensation dans les laboratoires étudiés .................................37

6.1.5. Principe de régulation ......................................................................................39

6.1.6. Récupération d’énergie ...................................................................................40

7. Choix et dimensionnement des équipements techniques des bureaux et locaux divers 41

7.1. Système de poutres climatiques pour les bureaux .................................................41

7.1.1. Principe de fonctionnement .............................................................................41

7.1.2. Dimensionnement des poutres froides ............................................................42

7.2. Traitement des locaux climatisés ............................................................................44

7.2.1. Système de splits VRV à condensation par eau ..............................................44

7.2.2. Système de poutres froides .............................................................................45

7.3. Récupération d’énergie ..........................................................................................45

7.3.1. Estimation du potentiel de récupération...........................................................45

7.3.2. Système de récupérateur par condenseur à eau .............................................46

8. Planning des étapes suivantes ......................................................................................48

9. Conclusion ....................................................................................................................49

10. Bibliographie ..............................................................................................................50



1. Préambule

Le projet de fin d’études traite de la rénovation énergétique d’un bâtiment abritant le

laboratoire d’éthologie du site du CNRS de Strasbourg Cronenbourg (Département Ecologie,

Physiologie et Ethologie).

Ce bâtiment construit dans les années 1970, a une superficie d’environ 2000 m² sur deux

niveaux articulés autour d’un patio intérieur. Au premier étage, se trouvent des bureaux et

des laboratoires équipés de sorbonnes ; au rez-de-chaussée, on trouve des laboratoires,

une animalerie composée de 10 box dont les températures doivent être contrôlées en

fonction des expérimentations réalisées, ainsi que des locaux techniques.

C’est sous l’impulsion de la Région Alsace, que l’INSA a été impliqué dans le projet de

rénovation. Deux projets de fin d’études qui s’apparentent alors à une mission d’assistance à

maîtrise d’ouvrage, ont été proposés. Cette dernière se réalise en concertation avec le

service technique et logistique (Mme CASTORRI) et le responsable du DEPE (Mr ROBIN).

Les études menées lors de ces PFE serviront de base à l’équipe de maîtrise d’œuvre (pas

encore constituée à ce jour).

Comme expliqué précédemment, deux sujets de PFE ont été définis pour traiter de la

rénovation énergétique du bâtiment, compte tenu de la diversité des usages des différents

locaux et du délai imparti.

Un premier sujet réalisé par moi-même traite de locaux à usage de bureaux et de

laboratoires. Le deuxième sujet traité par Damien WEBER concerne plus spécifiquement

l’animalerie.

Dans chaque cas, les missions demandées se déclinent en un diagnostic énergétique, suivi

par des propositions quantifiées en coût global de solution de rénovation énergétique

(enveloppe, équipements techniques, récupération de chaleur).



2. Introduction

Ce projet proposé par la Région Alsace, consiste en la réhabilitation d’un bâtiment du Centre

National de Recherche Scientifique (CNRS) à Strasbourg (67). En tant que principale source

de financement, la Région Alsace souhaite faire de ce projet une « vitrine » des solutions de

réhabilitation.

Après un diagnostic énergétique du bâtiment tel qu’il se présente actuellement, j’ai réalisé

dans un premier temps une étude visant à améliorer l’enveloppe actuelle qui représente une

source énorme de pertes d’énergie. Dans un deuxième temps, l’étude se portera sur les

équipements techniques du bâtiment (ventilation des locaux, compensation des

sorbonnes...) qui ne répondent plus aux besoins actuels.

Ce projet concernant deux étudiants, Damien WEBER et moi-même, nous avons tout

d’abord travaillé conjointement pour la réalisation du diagnostic énergétique. Enfin, en ce qui

concerne les solutions de rénovation (enveloppe et équipements techniques), j’ai traité plus

particulièrement l’étude de l’ensemble du bâtiment, hors animalerie.

Nous présenterons ainsi dans une première partie, le diagnostic énergétique, c’est-à-dire les

hypothèses retenues pour les simulations dynamiques, puis des estimations des besoins et

des consommations actuelles. Dans une deuxième partie, nous développerons plus

particulièrement les différentes variantes étudiées pour l’amélioration énergétique du

bâtiment. Enfin, dans une troisième partie, nous présenterons des solutions techniques pour

répondre aux besoins estimés suite à l’amélioration de l’enveloppe.

Pour mener à bien ce projet, nous avons eu recours à l’outil de simulation dynamique

TRNSYS17 (Transient System Simulation Tool) [1].



3. Présentation générale du projet

3.1. Présentation du bâtiment

Figure 1: Vue du DEPE

Le bâtiment sur lequel est basée notre étude est un bâtiment à usage scientifique puisqu’il

abrite les locaux du CNRS depuis les années 1970, date à laquelle il a été construit. Ce

bâtiment est situé sur le campus de Cronenbourg, un quartier de Strasbourg (67).

Il présente une superficie d’environ 2000 m2 sur deux niveaux articulés autour d’un patio

central. Il est composé au rez-de-chaussée d’une aile regroupant les locaux d’animalerie,

d’une aile comprenant bureaux et laboratoires et d’une aile destinée plus particulièrement à

un usage de stockage avec notamment un local renfermant de nombreux congélateurs. A

l’étage se concentrent essentiellement bureaux et laboratoires.

Le bâtiment se compose de 35 bureaux, d’une quinzaine de laboratoires comportant pour la

plupart une sorbonne, on en dénombre 10 sur l’ensemble du bâtiment, de plusieurs locaux à

usages divers, tels qu’une bibliothèque, des laveries, des locaux de stockage… La partie

animalerie se compose quant à elle de 10 box, où les scientifiques réalisent des études sur

les animaux, des locaux de stockage, d’une laverie et d’un bureau.

On note par ailleurs qu’aucun regroupement logique des pièces par type d’usage, n’est à

déplorer actuellement. En effet, des locaux de type bureaux côtoient des locaux de type

laboratoires qui ne requièrent pas les mêmes conditions d’ambiance.

De plus, nous relèverons la complexité de l’enveloppe qui, au cours du temps, a subi de

nombreuses modifications. Ainsi, la composition de certaines parois ne correspond plus au

CCTP de l’époque et constitue de ce fait une marge d’incertitude sur nos résultats. Nous

avons minimisé cette incertitude en essayant d’identifier les compositions actuelles sur

place.



Figure 2: Plan actuel du RdC

N



Figure 3: Plan actuel du 1er

étage

3.2. Démarche suivie

Afin de mener à bien notre étude, nous avons adopté la démarche suivante :

Figure 4: Organigramme de la démarche adoptée

N



4. Diagnostic énergétique du bâtiment actuel

4.1. Objectif et démarche

L’objectif de ce diagnostic énergétique est d’évaluer les consommations actuelles de ce

bâtiment. L’étude portera plus particulièrement sur les consommations de chauffage et de

climatisation. Le poste eau chaude sanitaire ne sera quant à lui pas développé au vue des

faibles besoins à considérer. En parallèle a été réalisé un travail sur le confort estival des

locaux.

Ces résultats constitueront par la suite, la base de la démarche d’amélioration énergétique

du bâtiment.

Ainsi, nous avons effectué ce diagnostic en tenant compte qu’aucun relevé de

consommations énergétiques n’était disponible. Peu après, nous avons finalement eu accès

à un document officiel venant relativiser nos résultats.

Les besoins de chauffage et de climatisation ont été estimés à l’aide d’un outil de simulation

thermique dynamique (STD) : TRNSYS17 [1].

Une fois le modèle validé, nous avons pu y introduire les différents scénarios d’occupation,

d’occultation, de chauffage, de climatisation … recueillis lors d’un audit énergétique du

bâtiment. Les résultats alors obtenus représentent les consommations énergétiques du

bâtiment dans son usage actuel.

4.2. Hypothèses retenues

Afin de déterminer les différents scénarios à appliquer au bâtiment, nous avons effectué une

visite détaillée pièce par pièce, dans le but de recueillir le maximum d’informations

nécessaires à l’estimation des besoins énergétiques (composants de l’enveloppe,

équipements,…).

4.2.1. L’enveloppe

Nos hypothèses concernant l’enveloppe sont essentiellement basées sur le CCTP de

l’époque (années 1970), mais également sur des relevés sur le terrain, car le bâtiment a subi

quelques travaux au cours des années, modifiant ainsi certaines compositions de parois.

On peut néanmoins noter certaines caractéristiques de l’enveloppe :

Paroi extérieure courante du RDC :

- Brique rouge de 25 cm à rupture de joints - Mortier 2 cm

Ceci nous donne un coefficient de transmission thermique d’environ 0.97 W/(m².K). Nous

rappelons que la RT 2005 fixe une valeur maximale de 0.4 W/(m².K).



Paroi extérieure courante de l’animalerie :

- Brique rouge de 10 cm - Liège 5 cm - Brique rouge de 10 cm

U=0.49 W/(m².K)

Paroi extérieure courante de l’étage :

- Brique de maçonnerie de 25 cm - Mortier 2 cm

U=0.97 W/(m².K)

4.2.2. Les températures de consigne

Suite à un entretien avec Cofely (société en charge de la maintenance des installations sur

le campus), il a été établi les hypothèses suivantes :

Un réduit de nuit est actuellement en place entre 19h et 7h. Il consiste en un

abaissement de 10 K sur la loi d’eau, ce qui peut être matérialisé grossièrement par

une réduction de la température de consigne de 20°C à 16°C.

La saison de chauffe pouvant varier d’une année sur l’autre, nous considérerons

dans notre étude qu’elle débute le 1er octobre et se termine le 30 mai.

Un abaissement des températures est également mis en place durant les vacances

de Noël. Nous supposerons alors que ces vacances s’étendent du 24 décembre au 7

janvier.

Certains locaux sont néanmoins contraints à des conditions intérieures particulières

(hygrométrie, température) nécessaires à leur bon fonctionnement. Ainsi, certaines pièces

font l’objet d’une climatisation annuelle afin de compenser les charges internes qui y sont

générées.

En ce qui concerne l’animalerie nous avons effectué des hypothèses de températures pour

chaque zone, qui ont été établies dans une première approche avec nos interlocuteurs au

CNRS. Ces hypothèses de température pour une année type pour chaque box sont

explicitées ci-dessous :

Températures de consigne actuelles

Zone 38 pièce 41 20 à 21 °C sur un an ou plus

Zone 39 24 à 25 °C sur un an

Zone 40 25 °C sur 6 mois, 3 mois hors asservissement, 3 mois à 7 °C

Zone 46 19 °C régulation CTA

Zone 47 24 à 25 °C sur un an

Tableau 1: Températures de consigne par zone dans l'animalerie



Les infiltrations

Le bâtiment voit sa ventilation se faire de manière naturelle, néanmoins de nombreux orifices

d’arrivés d’air ont été bouchés.

N’ayant aucune donnée précise sur le débit réel d’infiltration, nous avons analysé deux cas.

Le premier correspond à un débit d’infiltration de 0.3 Vol/h, ce qui caractérise un n50=4.3 et

un Q4=2 m3/h.m2. Notons par ailleurs que la RT 2005 fixe, pour des bâtiments tertiaires, une

valeur par défaut de Q4=2.5 m3/h.m2. Le deuxième cas représente un débit d’infiltration de 1

Vol/h, ce qui correspond à un faible niveau d’étanchéité ou un n50=14 et un Q4=6 m3/h.m2. La

méthode COSTIC [12], fait état d’un coefficient d’infiltration de 1 vol/h dans le cas d’une

ventilation naturelle.

4.2.3. Les apports internes

Les apports internes sont provoqués à la fois par les occupants, l’éclairage et les appareils

présents dans chaque pièce. L’audit réalisé, nous a ainsi permis de recenser ces différents

éléments pour chaque pièce.

Notons cependant les équipements de pièces types ou des pièces présentant de fortes

charges internes.

Equipements techniques pour locaux type bureaux :

- 1 ordinateur - 2 lampes à tubes fluorescents

Equipements techniques pour locaux type laboratoires :

- 1 ordinateur - 1 réfrigérateur/congélateur - 4 lampes à tubes fluorescents - 1 sorbonne - 1 centrifugeuse

Equipements techniques du local spectrométrie :

- Trace GC ULTRA utilisation 24h/24h + week end => 3.7 kW - COSTECH Instruments utilisation 50% du temps=> 2.3 kW*0.5=1.15kW - Four flashea 1112 Series 30% du temps=> 1.4 kW*0.3=0.42 kW - TCEA Thermoscientific 24h/24 +week end => 1.5 kW - DeltaV plus 2 unités 24h/24+week end => 4.6 kW - 1 Etuve 24h/24+week end 1 kW

Total=11.87 kW instantané

A cela s’ajoute 2 ordinateurs et les luminaires.

Equipements techniques du local congélateur :

- 16 congélateurs à -25 °C - 8 congélateurs à -80 °C

L’ensemble des congélateurs fonctionne 24h/24, 7j/7. On a ainsi un total d’environ 10 kW

instantané.



4.2.4. L’occultation

Afin d’étudier le confort estival des locaux, nous avons ainsi examiné la température

ambiante pour deux configurations d’occultation des vitrages. Dans un premier cas, nous

avons étudié le confort d’été sans occultation et dans un deuxième cas, nous étudierons

l’impact de la mise en place d’une occultation totale des vitrages.

4.2.5. Production de chaud et de froid

Il y a une chaufferie commune à tout le campus qui alimente en eau chaude les différents

bâtiments. Dans chaque bâtiment se trouve une sous station.

La température de départ de la chaufferie est régulée par une loi d’eau sur la température

extérieure :

-15 °C extérieur, température de départ 85 °C

20°C extérieur, température de départ 40 °C

Un réduit de nuit, et de vacances a été mis en place. Ce dernier est explicité plus haut dans

notre exposé.

Les radiateurs:

La température de départ est régulée par une loi d’eau qui est propre au bâtiment 60. Cette

dernière lors de notre visite était régulée ainsi :

15 °C extérieur, température de départ 38°C

-15 °C extérieur, température de départ 70 °C

L’animalerie :

Pour l’animalerie, le chauffage dans les box est en premier lieu assuré par deux CTA qui

fonctionnent en tout air neuf, et le chauffage de cet air est assuré par deux batteries chaudes

à eau présentes dans chacune des deux centrales. Les CTA soufflent à une température

constante d’environ 19 °C. En intersaison ou quand la demande est trop élevée, une

résistance chauffe l’eau arrivant dans les batteries chaudes des centrales de traitement d’air.

Néanmoins, cette résistance est sous-dimensionnée, et ne permet pas d’atteindre les

températures souhaitées.

Des ventilo-convecteurs sont installés dans les pièces de l’animalerie et réalisent le

complément en chauffage si cela est nécessaire.

Soulignons que la pièce 51, zone 40, est équipée d’un ventilo convecteur pouvant

fonctionner en chaud ou en froid, qui est raccordé sur un groupe froid air/eau fonctionnant au

R22 ainsi que sur l’eau chaude arrivant de la chaufferie.

Les zones recevant les animaux traités par les CTA sont les zones 38, 39, 40, 46, 47, 48 du

RdC (figure 7, page 15).

Une partie de l’animalerie est chauffée par des radiateurs, il s’agit des pièces n’accueillant

pas d’animaux zone 41, 42, 44, 49, 57 (figure 7, page 15) (circulation, laverie, bureau,

laboratoire, WC).

Système SPLIT :

La climatisation de certains locaux qui dégagent de fortes charges internes est assurée par

des systèmes de type splits. Le tableau ci-dessous détaille les valeurs retenues :



Aile Zone Puissance clim

installée

Type Remarque

Aile 1 RdC 31 16 kW SPLIT

Aile 1 RdC 35 5 kW SPLIT

Aile 3 RdC 50 4 kW Climatiseur à eau perdue Remplacé en 2011 par des SPLITS de 8 kW

Aile 2 E 16 3,1 kW SPLIT Valeur communiquée par CNRS

Aile 4 E 25 10 kW SPLIT

Tableau 2: Climatisation par zone

La figure ci-dessous représente le schéma de principe du local technique du DEPE :

Figure 5: Schéma de principe du DEPE

Soulignons qu’actuellement il n’y a plus de pompe à chaleur.



4.2.6. Les sorbonnes

Nous l’avons vu le bâtiment comporte dix sorbonnes. Une sorbonne, est en fait une enceinte

ventilée en dépression qui aspire l’air dans le local et le rejette dans l’atmosphère extérieure

au moyen d’un ventilateur. Il s’agit d’équipements de protection collective destinés

principalement à protéger les opérateurs des risques d’inhalation de produits chimiques

dangereux.

Les sorbonnes du CNRS sont, pour la plupart, équipées d’extracteurs à deux vitesses. La

vitesse est sélectionnée par l’utilisateur. L’évacuation de l’air vicié se fait en toiture, il n’y a

pas de compensation, cette dernière se fait donc naturellement. Les débits des sorbonnes

ont été relevés sur des fiches signalétiques réalisées par des entreprises de contrôles.

Figure 6: Schéma de circulation de l’air dans une sorbonne [2]

4.3. Estimation des besoins et des consommations en chauffage

et en climatisation

Dans cette partie nous essayerons d’estimer les besoins en chauffage et en climatisation et

d’en déduire les consommations par des hypothèses sur les rendements de production.

4.3.1. Définition des zones thermiques

Afin de faciliter la modélisation du bâtiment (limiter le nombre de zones du modèle), cette

dernière a été réalisée aile par aile, qui ont chacune été saisies dans TRNSYS. Ainsi pour

chaque aile, nous avons des zones d’étude qui sont explicitées dans le tableau suivant. Les

zones thermiques ont été définies en regroupant les pièces de même usage et de même

orientation (figure 7, page 15). Ce choix a été décidé pour limiter le nombre de zones

d’étude. Le tableau ci-dessous explicite le découpage des zones :



Bureaux LaboratoiresLocaux

animaliersDivers

Aile 1 RdC 7 4 3 0 5

Aile 2 RdC 13 1 1 10 4

Aile 3 RdC 8 1 1 0 7

Aile 1er

étage 6 11 0 0 4

Aile 2ème

étage 11 5 8 0 4

Aile 3ème

étage 8 7 5 0 2

Aile 4ème

étage 9 10 0 0 4

AilesNombre de

zones

Nombre de pièces

Tableau 3: Type de pièce par aile et par zone

Figure 7: Définition des zones thermiques du RdC (à gauche) et du 1er

étage (à droite)

4.3.2. Validation du modèle TRNSYS

Afin de valider notre modèle TRNSYS nous avons réalisé un calcul de déperditions en

régime permanent pour une température extérieure de -15 °C. Nous avons comparé la

puissance de chauffage trouvée grâce à Excel à celle trouvée grâce à TRNSYS.

Le tableau ci-dessous présente les valeurs trouvées grâce à TRNSYS et à Excel :

N



Aile Valeur Excel [kW] Valeur TRNSYS [kW] Ecart

Aile 1 RdC 23,6 23,5 0%

Aile 2 RdC 14,6 14,5 1%

Aile 3 RdC 28,9 28,4 2%

Aile 1er

étage 19,6 18,6 5%

Aile 2ème

étage 15,5 13,7 12%

Aile 3ème

étage 14,6 13,6 7%

Aile 4ème

étage 15,7 14,8 6%

TOTAL 132,5 127,1 4%

Tableau 4: Ecart modèle TRNSYS/Excel

On remarque un écart de 4% sur le résultat global, ainsi qu’un maximum de 12 % d’écart

pour l’aile 2 de l’étage. Nous pouvons donc valider notre modèle TRNSYS.

4.3.3. Estimation des besoins de chauffage et de climatisation

Nous avons estimé à l’aide de TRNSYS les besoins relatifs au chauffage et à la climatisation

du bâtiment, sur une année type, correspondante au climat de Strasbourg.

Le cas particulier de l’animalerie :

Nous avons dû calculer ici le besoin en chauffage des ventilo-convecteurs qui correspond à

la valeur donnée par TRNSYS, ainsi que le besoin en chauffage concernant les batteries

chaudes de la CTA.

Afin de calculer les besoins de ces batteries nous avons supposé un débit constant tout au

long de l’année, la valeur du débit est issue des anciennes documentations du bureau

d’études, car aucun relevé de débits n’a été opéré. Nous avons supposé une température

constante de soufflage à 19 °C ce qui est le cas actuellement.

Nous avons séparé le besoin couvert par l’appoint électrique, en considérant que ce dernier

fonctionnait uniquement hors saison de chauffe. Nous avons supposé que le reste du besoin

est couvert entièrement par la sous-station durant la période de chauffe.

Nous aboutissons donc aux résultats présentés dans les tableaux suivants :

- Besoin de chauffage :

Couvert par l'appoint

électrique [kWh]

Couvert par la sous

station [kWh]Total [kWh]

Besoin ventilo-convecteur (animalerie) 10000 46100 56100

Besoin batterie chaude (CTA) 15500 130000 145500

Autres locaux chauffés par radiateurs

(laverie, bureaux, laboratoires…)0 3000 3000

TOTAL 25500 179100 204600

Débit d'infiltration=0,3 Vol/h



Débit d'infiltration=1 Vol/h

Besoin ventilo-convecteur (animalerie) 11500 66000 77500

Besoin batterie chaude (CTA) 15500 130000 145500

Autres locaux chauffés par radiateurs

(laverie, bureaux, laboratoires…)0 4600 4600

TOTAL 27000 200600 227600

Tableau 5: Besoin en chauffage pour des débits d’infiltration de 0.3 Vol/h et 1 Vol/h

- Besoin en climatisation : Le tableau ci-dessous correspond au besoin en climatisation

du local 51 (zone 40), qui est la seule pièce de l’animalerie équipée d’un système de

climatisation individuel.

Débit d’infiltration Besoins [kWh]

0.3 Vol/h 12700

1 vol/h 12800

Tableau 6: Besoin en climatisation pour des débits d'infiltration de 0.3 Vol/h et 1 Vol/h

Nous pouvons déjà noter le besoin en climatisation et en chauffage très important de

l’animalerie. Il n’y a pas de récupérateur de chaleur sur la CTA et elle fonctionne en tout air

neuf.

Les sorbonnes :

Le but de cette partie est d’apprécier les besoins en énergie liés aux sorbonnes. Nous allons

essayer de donner une idée de ces grandeurs à travers cette étude. Nous pourrons ainsi

évaluer le gain qui en découlerait si on mettait en place un récupérateur d’énergie.

Sur ce tableau figure le scénario de fonctionnement des sorbonnes qui a été convenu avec

notre interlocuteur au CNRS.

Débit [m3/h] Durée/jour [h] Jour/semaine [jour]Nbre de mois dans

l'année [mois]

Laboratoire 151 1394 4 5 9







Laboratoire 28 1516 4 5 6 Tableau 7: Fonctionnement des sorbonnes

Besoin en chaleur :

On a considéré ici que lorsque la sorbonne fonctionnait, elle entrainait un débit d’infiltration à

l’intérieur du bâtiment égale à son débit d’extraction. Ceci engendre une déperdition égale à

D[W] = 0.34* Qv *ΔT



Avec : Qv représentant le débit d’extraction de la sorbonne en m3/h ΔT l’écart de température entre l’intérieur du bâtiment pris par défaut égale à 20 °C et

l’extérieur. Précisons que nous n’avons pas comptabilisé la demande énergétique

hors saison de chauffe.

Consommation en électricité :

Pour simuler la consommation d’électricité on a considéré que le ventilateur en

fonctionnement de la sorbonne utilisait 500 W pour le débit nominal. Cette valeur a été

trouvée dans la documentation technique encore disponible, d’une des sorbonnes.

Afin de simuler ces consommations et besoins en énergie nous nous sommes aidés du

logiciel TRNSYS ainsi que d’Excel.

Nous avons regroupé dans ce tableau différents scénarios de fonctionnement. Tout d’abord

en faisant fonctionner les sorbonnes selon les scénarios du tableau intitulé « scénario de

base ». On fait ensuite fonctionner les sorbonnes 1 jour par semaine pendant une heure, 1

jour par semaine pendant deux heures, 5 jours par semaine pendant 1 heure puis 2 heures.

Besoins thermiques

Conso électrique

thermique kWh/an 34950 2640 5070 13240 25360

électrique kWh/an 3071 200 400 1000 2000

5 jours par

semaine pendant

2 heures

UnitéSelon

scénario

1 jour par

semaine pendant

une heure

1 jour par

semaine pendant

2 heures

5 jours par

semaine pendant

1 heure

Tableau 8: Besoin thermique et consommation électrique

Ces résultats sont bien entendu exhaustifs, ils dépendent de l’utilisation réelle du matériel et

des scénarios de fonctionnement de chaque année.

Les résultats globaux :

Les tableaux ci-dessous présentent les résultats du besoin couvert par la sous station pour

l’ensemble du bâtiment, ainsi que l’appoint électrique pour l’animalerie :

kWh/an m² kWh/m².an kWh/an m² kWh/m².an

Besoin chauffage hors

animalerie39100 244 160 72000 198 364

Besoin animalerie couvert par

la sous-station179100 198 905 200000 244 820

Besoin 1er étage 47600 1060 45 85000 1060 80

Sous TOTAL 265800 1502 177 357000

Sorbonne 34950 35000

TOTAL 300750 1502 200 392000 1502 261

0,3 Vol/h 1 Vol/h

Tableau 9: Besoin global du bâtiment, couvert par la sous station

kWh/an m² kWh/m².an

Infilitration = 0,3 Vol/h 25500 103 248

Infilitration = 1 Vol/h 27000 103 262

Besoin couvert par l'appoint

électrique (uniquement animalerie) Tableau 10: Besoin de chauffage couvert par l'appoint électrique



On peut déjà remarquer la forte demande en énergie des locaux animaliers. Cela peut

s’expliquer par le fonctionnement en tout air neuf de la centrale de traitement d’air, qui ne

présente aucune récupération et dont le débit s’élève, selon les données du bureau

d’études, à environ 5000 m3/h.

Le tableau ci-dessous présente les besoins en climatisation pour l’ensemble du bâtiment :

kwh/an m² kWh/m².an kwh/an m² kWh/m².an

Climatisation RdC 103300 73 1415 102000 73 1397

Climatisation 1er

étage 25070 40 627 20400 40 510

Climatisation totale 128370 113 1136 122400 113 1083

0,3 Vol/h 1 Vol/h

Tableau 11: Besoin en climatisation pour l’ensemble du bâtiment

On remarque les besoins conséquents liés à l’importance des charges internes.

4.3.4. Estimation des consommations liées au chauffage et à la climatisation

Afin de calculer la consommation en chauffage nous nous sommes basés sur la méthode

3CL-DPE [3]. Nous avons pris le cas d’un immeuble collectif avec chauffage collectif sans

chauffage individuel, branché sur un réseau de chaleur. Ceci est assimilable au

fonctionnement de notre bâtiment.

Dans le cas des radiateurs :

Rd : rendement de distribution= 0.87 car chauffage à eau chaude à haute température

conduites isolées

Re : rendement d’émission de chauffage= 0.95

Rr : rendement de régulation de chauffage= 0.95 car robinets thermostatiques

Rg : rendement de génération de chauffage = 0.9

Rendement=0.87*0.95*0.95*0.9=0.71

Dans le cas des ventilo-convecteurs :

Rd= 0.85 ; Re=0.95 : Rr=0.9 ; Rg= 0.9

Rendement=0.67

Dans le cas des batteries chaudes :

Rendement=0.67

Dans le cas de l’appoint électrique :

Rendement=1



Les résultats globaux, consommations de chauffage :

Le tableau ci-dessous présente les résultats de consommations pour l’ensemble du bâtiment

assurées par la sous station :

Consommation par secteur kWh/an m² kWh/m².an kWh/an m² kWh/m².an

Consommation RDC

chauffage animalerie

267000 198 1348 320000 198 1616

Consommation RDC hors

animalerie

55000 244 225 72800 244 298

Consommation 1er étage 67000 1060 63 120000 1060 113

SOUS TOTAL 389000 1502 259 512800

Sorbonnes 49200 49200

TOTAL 438200 1502 292 1074800 1502 716

0,3 Vol/h 1 Vol/h

Tableau 12: Consommations pour l’ensemble du bâtiment

Le graphique ci-dessous représente la consommation par secteur pour un débit d’infiltration

de 0.3 Vol/h:

Figure 8 : Consommation par secteur

On s’aperçoit que l’essentiel de la consommation est portée par l’animalerie et cela à plus de

60 %.

Comparatif avec les relevés de consommation :

Les relevés au niveau de la sous-station (hors consommation électrique) pour l’année 2010

font état d’une consommation de chauffage de l’ordre de 211 00 kWh, le DJU(18) (méthode

météo) correspondant à la saison de chauffe de 2010 est de 2823.7. Nous utilisons ici la

méthode météo car c’est sous cette forme que nous avons les DJU(18) 2010 qui

correspondent à la station de Strasbourg Entzheim.

Le DJU(18) TRNSYS est de 2964.9 pour la saison de chauffe utilisée.



Donc si nous corrigeons notre valeur de 2010 pour la comparer à TRNSYS, on obtient une

consommation 211 000 X 2964.9/2823.7= 221 550 kWh.

Si on regarde l’écart entre les calculs et les résultats on a un écart de plus de 49 %. Cette

valeur est très élevée, et s’explique essentiellement par la consommation de l’animalerie.

Nous pouvons supposer que les scénarios retenus pour l’animalerie ne correspondent pas à

l’année 2010, les débits indiqués par le bureau d’études sont sans doute beaucoup trop

élevés et ne correspondent pas à la réalité.

Un retour d’expérience des utilisateurs de l’animalerie confirme cette hypothèse, en effet les

conditions d’ambiance de consigne dans les box ne sont pas atteintes.

Les résultats globaux en climatisation :

Nous sommes partis sur un COP moyen annuel de 2.5 pour les systèmes de production en

froid, nous aboutissons ainsi aux résultats suivants :

Consommation kWh/an m² kWh/m².an kWh/an m² kWh/m².an

Climatisation RdC 41320 73 566 40800 73 559

Climatisation 1er étage 10028 40 251 8160 40 204

Climatisation totale 51348 113 454 48960 113 433

0,3 Vol/h 1 Vol/h

Tableau 13: Consommation de climatisation

4.4. Confort estival

On donne dans ce paragraphe une estimation du confort d’été dans les locaux étudiés. Ce

confort est exprimé en pourcentage du temps pendant lequel la température ambiante est

supérieure à 26 °C, en prenant uniquement en compte les heures où les locaux sont

occupés. Dans le cas des locaux climatisés on ne prendra pas en compte le temps

d’occupation. On comptabilisera donc le pourcentage de surchauffe pour ces locaux sur

l’ensemble de l’année.

Pour ce faire nous avons réalisé les simulations TRNSYS en laissant dériver les

températures estivales dans les locaux, afin d’identifier les températures extrêmes. On a

choisi ici de parler de confort estival uniquement avec un débit d’infiltration de 0.3 Vol/h.

Pour l’étage, le confort estival a été étudié selon 4 orientations principales.



Figure 9: Orientations des locaux au 1er

étage

Le tableau suivant donne les valeurs de surchauffe suivant l’orientation des pièces pour

l’étage. Dans un premier temps, il s’agit des pièces donnant sur le patio.

Sud Ouest

(bureaux)

Nord Ouest

(bibliothèque)

Nord Est

(laboratoires)

Sud Est

(laboratoires)

occultation=1 % du temps supérieur à 26 °C 56% 4% 19% 26%


Orientation des pièces

Tableau 14: Surchauffe des pièces donnant sur le patio

On remarque que les pièces orientées au Sud Ouest présentent des surchauffes plus

conséquentes que les autres orientations. Cependant, ces résultats ne sont pas uniquement

liés à l’orientation des pièces mais également aux surchauffes engendrées par les appareils

présents, comme c’est le cas notamment pour le laboratoire d’électronique.

De manière générale, les pièces exposées au Sud présentent des surchauffes plus

importantes.

Dans un deuxième temps, le tableau suivant présente les valeurs de surchauffe suivant

l’orientation des pièces pour l’étage. Il s’agit des pièces donnant vers l’extérieur.

Sud Ouest

(laboratoires)

Nord Ouest

(bureaux et labos)

Nord Est

(bureaux)

Sud Est

(bureaux)




Tableau 15: Surchauffe des pièces donnant vers l'extérieur

Dans ce cas, les surchauffes des pièces situées au Nord Est sont essentiellement dues aux

charges internes du local technique et du bureau 169B.

N



14,7 %

11,6 %

29 %

27,3 %

0,12 %

0 %

2,64 %

0,37 %

5,2 %

0 % 1,9 %

0 %

Pour le rez-de-chaussée, nous obtenons les résultats suivants, hors box d’animalerie :

Sud Ouest

(bureaux)

Nord Est

(bureaux et labos)

Sud Ouest

(local congélateur)

Nord Est

(bureau animalerie)

occultation=1 % du temps supérieur à 26 °C 2% 27% 7,50% 0%

occultation=0 % du temps supérieur à 26 °C 27% 43% 9% 4,30%


Tableau 16: Surchauffe des pièces au RdC, hors box d’animalerie

On remarque ici les bénéfices de l’occultation pour le bureau de l’animalerie qui ne présente

plus de surchauffe.

Pour l’animalerie, nous présenterons les résultats par zones, définies selon le schéma de

modélisation du bâtiment (figure 10, page 23). En gras, il s’agit des valeurs pour lesquelles

l’occultation=0, et en italique, l’occultation=1. Tout en sachant que les locaux animaliers

(Zones 38, 39, 40, 47) ont des occultations égales à 1 tout le temps.

Les zones 48 et 40 n’ont pas vu leur surchauffe représentée. En effet la zone 40 étant

climatisée parfois à des températures de 8°C, cela n’a pas de sens de regarder sa

surchauffe, elle le sera tout le temps. Pour la zone 48, cette dernière sert de stock

actuellement et n’est donc pas occupée bien que la CTA la chauffe toujours.

4.5. Conclusion du diagnostic

Le bâtiment présente une consommation en chauffage très élevée, qui s’explique par

l’enveloppe relativement mal isolée et le débit d’infiltration important retenu dans nos

simulations. Bien entendu la majorité de la consommation est issue de l’animalerie.

Nous avons également relevé des problèmes sur lesquelles pourront porter notre future

étude :

1) La climatisation et le chauffage fonctionnaient simultanément dans certaines pièces,

ce qui engendre des consommations inutiles au niveau de la climatisation aussi bien

qu’au niveau du chauffage.

Figure 10: Surchauffe dans l'animalerie



2) L’animalerie est très vorace en énergie. Nous préconiserons l’emploi de récupérateur

de chaleur dans l’animalerie rénovée.

3) Les résultats montrent bien l’impact des sorbonnes sur la consommation du bâtiment.

Actuellement, l’air extrait de ces sorbonnes est simplement rejeté à l’extérieur, ainsi il

pourrait être intéressant de mettre en place un système de récupération. La

compensation est actuellement inexistante.

4) On a vu que les laboratoires spectrométrie et microscope génèrent de fortes charges

internes. La climatisation est faite par des splits qui rejettent la chaleur dans l’air, un

système de récupération pourrait ainsi être envisagé.

5) On note de même qu’il y a de nombreux congélateurs et réfrigérateurs dans le local

froid. Ces appareils dégagent une forte chaleur qui n’est absolument pas valorisée,

actuellement il y a même un système de climatisation pour combattre ces calories. Le

minimum serait d’envisager de mettre des condenseurs déportés.

Ces différents résultats ont été portés à la connaissance du service technique du

CNRS. Nous allons baser à présent nos améliorations sur le modèle ainsi constitué.

5. Solutions d’amélioration énergétique de l’enveloppe

Nous avons étudié, à l’aide de TRNSYS, différentes variantes pour améliorer l’enveloppe du

bâtiment. Dans cette partie, ne seront développés que les résultats concernant le bâtiment

hors animalerie, c’est-à-dire les ailes 1 et 3 du rez-de-chaussée et les quatre ailes qui

constituent l’étage, la partie animalerie étant étudiée par Damien WEBER.

5.1. Objectif et démarche

Nous présentons dans cette partie les résultats obtenus en terme :

de besoin de chauffage [kWh /an]

de besoin de climatisation [kWh /an] pour différentes actions de rénovation de l’enveloppe des locaux hors animalerie.

Ces résultats permettront de sélectionner la solution de rénovation la plus pertinente, à partir

de laquelle le dimensionnement des équipements techniques sera réalisé.

Les actions sur l’enveloppe considérées dans cette étude sont :

Variante 1 : Isolation thermique des parois extérieures.

Variante 2 : Isolation thermique du porte-à-faux.

Variante 3 : Changement des huisseries (fenêtres et portes extérieures), traitement de l’étanchéité à l’air.

Variante 4 : Mise en place d’une toiture végétalisée.

Les résultats présentés dans la suite ont été obtenus par simulation thermique dynamique à

l’aide d’un modèle créé dans l’environnement TRNSYS.

5.2. Hypothèses de base

Afin de se rapprocher au mieux du modèle de base pour nos calculs relatifs à la rénovation

énergétique de l’enveloppe, des hypothèses de base ont été définies. Ces dernières sont

présentées ci-après.



5.2.1. L’enveloppe

Nous considérerons pour les calculs de base, les compositions de parois et les menuiseries

définies dans le paragraphe 4.2.1 du rapport. Cela correspond aux hypothèses formulées

lors de l’audit énergétique du bâtiment.

5.2.2. Les températures de consigne

De même les températures de consigne seront les mêmes que dans le paragraphe 4.2.2, le

chauffage étant assuré par des radiateurs et la saison de chauffe étant définie désormais du

1er octobre au 15 mai, afin de se positionner le plus proche possible des conditions réelles.

5.2.3. Les infiltrations

Nous considérerons un débit d’infiltration de 0.3 Vol/h pour la solution de base (avec fenêtres

double vitrage). Cependant, en mettant en place un triple vitrage performant, nous

diminuerons ce débit à 0.14 Vol/h puis 0.07 Vol/h, selon le soin porté au travail d’étanchéité

lié au changement des menuiseries.

5.2.4. Les apports internes

De même que pour l’enveloppe, les hypothèses menées sur les apports internes, sont

identiques au paragraphe 4.2.4 de la partie diagnostic énergétique.

5.2.5. L’occultation

Nous supposerons désormais une occultation de 0.43 hors période de chauffe,

correspondant à une occultation moyenne du type des stores en place actuellement.

Cependant, aucune occultation ne sera mise en place en période de chauffe, afin de profiter

des apports solaires au maximum.

Seuls, les locaux climatisés auront une occultation de 0.43 durant toute l’année, pour éviter

les moindres surchauffes liées aux apports solaires.

5.2.6. Définition des zones thermiques

Nous rappelons le découpage des zones défini dans la partie diagnostic énergétique du

présent rapport (figure 7, page 15) :

Figure 11: Plans des zones thermiques du RdC (à gauche) et du 1er

étage hors animalerie (à

droite)



5.3. Estimation des besoins après améliorations

Nous présenterons dans ce paragraphe différentes variantes concernant l’amélioration de

l’enveloppe, que ce soit au niveau de l’isolation des parois, du porte-à-faux ou de la toiture.

Notons par ailleurs que les différentes variantes sont étudiées de manière totalement

indépendante, c’est-à-dire que ces dernières sont appliquées au cas de base qui correspond

au bâtiment tel qu’il est actuellement. Les variantes n’interfèrent donc pas entre elles.

5.3.1. Variante 1 : Isolation thermique des parois par l’extérieur

Dans ce cas nous allons mesurer l’impact de la mise en place d’une isolation par l’extérieur

sur les besoins énergétiques du bâtiment, hors animalerie.

Choix de l’isolant :

Pour nos simulations nous avons choisi la laine de verre. Cet isolant a l’avantage d’être un

matériau très peu cher, possédant des vertus isolantes intéressantes et qui a une énergie

grise moins élevée que le traditionnel polystyrène. Dans le cas d’une démarche plus éco-

responsable du maître d’ouvrage nous lui conseillerons la ouate de cellulose sous forme de

panneaux.

La différence de consommation du bâtiment avec une isolation en laine de verre et en ouate

de cellulose est quasiment nulle moins de 1 % en faveur de la ouate de cellulose.

Mise en œuvre :

Figure 12: Schéma de mise en œuvre d'une isolation extérieure [4]

Voici un exemple de mise en œuvre proposé par Isover [4], en sachant que dans notre cas,

un bardage bois sera adopté.



Estimation des besoins de chauffage et de climatisation :

Les besoins de chauffage et de climatisation ont été simulés pour différentes épaisseurs

d’isolant : 5 cm, 10 cm, 15 cm et 20 cm. Les résultats obtenus sont résumés dans les

tableaux suivants.

Le cas de base (0 cm d’isolant) correspond à l’enveloppe actuelle du bâtiment.

0 cm 5 cm 10 cm 15 cm 20 cm

Besoins chauffage kWh/an 79365 62520 59297 57737 56817

Besoins chauffage kWh/m².an 62 49 46 45 44

Besoins climatisation kWh/an 157531 162937 163889 164356 164634

Besoins climatisation kWh/m².an 911 942 947 950 952

Epaisseur d'isolant

Tableau 17: Besoins de chauffage et de climatisation en fonction de l'épaisseur d'isolant des

parois

Commentaires des résultats obtenus :

On remarque que l’ajout d’isolant fait baisser les besoins de chauffage, en revanche, les

besoins de climatisation augmentent. Cependant, le gain en chauffage (jusqu’à 23000

kWh/an pour 20 cm d’isolant) est plus important que la perte en climatisation (jusqu’à 7000

kWh/an pour 20 cm d’isolant).

Ainsi, le cas qui semble le plus optimal, aussi bien d’un point de vue de gain en chauffage

que de perte en climatisation, semble être le cas où l’on a une isolation extérieure minimale

de 10 cm. Une étude des coûts de mise en œuvre pour des épaisseurs de 10 cm et de 15

cm pourrait être utile, afin de déterminer le cas le plus intéressant.

Sans isolation Avec isolation

Besoins chauffage kWh/an 12087 9501

Besoins chauffage kWh/m².an 45 34

Besoins climatisation kWh/an 3591 3120

Besoins climatisation kWh/m².an 120 104

Isolation pièces climatisées

Tableau 18: Besoins en énergie selon l'isolation des pièces climatisées (résultats de l'étude

menée sur l'aile 2 du 1er étage)

De plus, on constate que si l’on isole les pièces climatisées ou non chauffées des pièces

adjacentes avec 5 cm de laine de verre, on obtient à la fois un gain en chauffage (2500

kWh/an) et en climatisation (500 kWh/an). Ceci s’explique par le fait qu’en hiver on limitera

les déperditions des pièces voisines aux locaux non chauffés ou climatisés. De même, en

été les pièces climatisées seront moins réchauffées par les pièces environnantes et

nécessiteront moins de climatisation.

En revanche, les locaux présentant de fortes charges internes, ne nécessitent pas d’isolation

extérieure, car dans ce cas on ne cherche pas à limiter les déperditions. Ainsi, j’ai fait le

choix de ne pas isoler le local congélateur par l’extérieur comme les autres locaux le sont.

Cela a pour effet de diminuer les besoins de climatisation en hiver.



5.3.2. Variante 2 : Isolation thermique du porte-à-faux

Dans ce paragraphe nous allons mesurer l’impact de la mise en place d’une isolation du

porte-à-faux sur les besoins en énergie du bâtiment.

Comme précédemment, l’isolant choisi pour les simulations est la laine de verre.

Pour la mise en œuvre, il s’agirait de placer la laine de verre sous la fibralith actuellement

présente. En effet, il est nécessaire de garder la fibralith en surface afin de respecter les

normes de sécurité incendie du bâtiment.

Figure 13: Dalle actuelle (à gauche) et dalle après modification (à droite)


Nous avons ainsi fait varier l’épaisseur de l’isolant de 5 cm, 10 cm, 15 cm et 20 cm. Le cas

de base (0 cm d’isolant) correspond ainsi au cas en place actuellement. Nous avons ainsi

obtenu les résultats suivants.

0 cm 5 cm 10 cm 15 cm 20 cm

Besoins chauffage kWh/an 17798 14463 13185 12511 12094

Besoins chauffage kWh/m².an 70 57 52 49 48

Epaisseur d'isolant

Tableau 19: Besoins de chauffage en fonction de l'épaisseur d'isolant du porte-à-faux


Dans le cas de l’isolation du porte-à-faux, qui ne concerne que des locaux non climatisés, on

constate que le gain en chauffage est relativement important (jusqu’à 6000 kWh/an pour 20

cm d’isolant).

On notera par ailleurs qu’une épaisseur de 10 à 15 cm d’isolant pourrait être mise en place.

Au-delà, les gains en chauffage seront minimes, et ainsi le temps de retour sur

investissement pourrait augmenter.

5.3.3. Variante 3 : Changement des huisseries et traitement de l’étanchéité

Nous avons choisi de mettre en place des fenêtres avec triple vitrage performant, présentant

un coefficient Uw=0.7 W/m².K. Ainsi, nous remplacerons toutes les fenêtres actuellement en

place par ce triple vitrage, aussi bien à l’étage qu’au rez-de-chaussée.

De même les portes du rez-de-chaussée donnant sur l’extérieur sont remplacées par des

portes avec un Uw=2.53 W/m².K.



De plus l’étanchéité à l’air sera renforcée. Nous étudierons ainsi le cas où le débit

d’infiltration est de 0.14 vol/h, puis 0.07 vol/h. Cependant, cette action sur l’étanchéité devra

être menée avec le plus grand soin.


0,3 Vol/h 0,14 Vol/h 0,07 Vol/h

Besoins chauffage kWh/an 64678 54352 50268

Besoins chauffage kWh/m².an 50 42 39

Besoins climatisation kWh/an 164328 168073 169840

Besoins climatisation kWh/m².an 950 972 982

Débit d'infiltration

Tableau 20: Besoins de chauffage et de climatisation en fonction du débit d'infiltration


Cette étude de l’influence du débit d’infiltration sur les besoins énergétiques du bâtiment,

vient confirmer l’impact important du débit d’infiltration sur les besoins, puisqu’on constate

une chute des besoins de chauffage lorsqu’on passe d’un débit de 0.3 vol/h à un débit de

0.07 vol/h. Cette diminution représente en moyenne 20% des besoins de chauffage. Les

besoins de climatisation augmentent quant à eux légèrement pour les pièces du RDC, alors

qu’à l’étage ils sont plus élevés d’un point de vue proportionnel.

5.3.4. Variante 4 : Mise en place d’une toiture végétalisée

La mise en place d’une toiture végétalisée comprend la mise en place d’une couche

d’isolant. Dans ce paragraphe nous avons étudié l’influence de l’épaisseur d’isolant mis en

place.

Le matériau choisi est une laine de roche de classe C, correspondant à une classe

d’incompressibilité élevée, afin de garder les performances du matériau malgré le poids des

éléments qui s’applique sur lui. Il peut également être remplacé par d’autres isolants toujours

de classe C.

Mise en œuvre :

Voici un exemple de mise en œuvre proposé par Soprema [5] :



²

Figure 14: Schéma de mise en œuvre de la toiture végétalisée [5]


Sans toiture

végétalisée5 cm 10 cm 15 cm

Besoins chauffage kWh/an 43060 39933 33304 30102

Besoins chauffage kWh/m².an 41 38 32 29

Besoins climatisation kWh/an 20875 20504 21755 22485

Besoins climatisation kWh/m².an 522 513 544 562

Epaisseur d'isolant

Tableau 21: Besoins de chauffage et de climatisation en fonction de l'épaisseur d'isolant en

toiture


De la même manière que pour l’isolation des parois par l’extérieur, on remarque que les

besoins en chauffage diminuent en fonction de l’épaisseur d’isolant mis en place sur la

toiture, tandis que les besoins en climatisation augmentent.

A cela s’ajoutent les avantages des toitures végétalisées, tels que l’aspect environnemental

(diminution des taux de CO2, participation à la biodiversité, …), la régulation de l’hygrométrie,

la réduction des chocs thermiques (jour/nuit), l’inertie thermique mais également l’isolation

phonique.

Cependant, dans ce cas, il faut tenir compte de la surcharge qu’implique la mise en œuvre

d’une toiture végétalisée. Il est important de vérifier que la toiture existante peut résister à

une telle charge. Il en va de même pour le choix de l’épaisseur d’isolant.



5.3.5. Bilan des résultats obtenus

Le graphique ci-dessous présente l’évolution des besoins en énergie en fonction de la

solution mise en œuvre, par rapport au cas de base. Ces modifications s’appliquent à

l’ensemble du bâtiment étudié (RdC hors animalerie + 1er étage).

Figure 15: Evolution des besoins en énergie en fonction des solutions mises en œuvre

De la même manière, le graphique ci-après représente l’évolution des besoins par rapport au

cas de base, mais ne concerne que les modifications qui s’appliquent à l’étage.

Figure 16: Evolution des besoins en énergie en fonction des solutions mises en œuvre



5.4. Solution de rénovation retenue

Dans cette partie, j’expose la solution qui paraît la plus pertinente pour la rénovation

thermique du bâtiment. Le choix de cette dernière tient également compte du retour sur

investissement des différentes actions menées.

5.4.1. Description des actions proposées

Ainsi, la mise en place des éléments suivants a été retenue :

- Isolation par l’extérieur : 10 cm de laine de verre + bardage bois 22 mm - Isolation du porte-à-faux : 10 cm de laine de verre - Isolation des pièces climatisées : 5 cm de laine de verre - Toiture végétalisée : 10 cm de laine de roche en isolant + composition présentée sur

le schéma de Soprema (figure 15) - Vitrages : triple vitrage avec Uw=0.7 W/m².K et g=0.222 - Portes donnant sur l’extérieur : Uw=2.53 W/m².K - Réduction du débit d’infiltration - Occultation totale hors période de chauffe, lorsque l’ensoleillement est supérieur à

600W/m²

Remarque : Ces actions représentent des préconisations minimales à mettre en place. En

effet, une épaisseur de 15 cm d’isolant pourrait également être envisagée en fonction du

surcoût de mise en œuvre.

5.4.2. Estimation des besoins de chauffage et de climatisation

Nous obtenons, après mise en place des actions précédemment citées, les résultats

présentés dans le tableau ci-dessous. Nous rappelons que ces résultats ne tiennent pas

compte de l’animalerie qui est traitée à part, par Damien WEBER.

Base

(0,3 vol/h)

Final

(0,14 vol/h)

Final

(0,07 vol/h)

Gain base ->

0,14 vol/h

Gain base ->

0,07 vol/h

Gain 0,14 vol/h ->

0,07 vol/h

Besoins chauffage kWh/an 79365 20787 17596 74% 78% 15%

Besoins chauffage kWh/m².an 62 16 14

Besoins climatisation kWh/an 157531 179750 181723 -13% -14% -1%

Besoins climatisation kWh/m².an 911 1039 1050 Tableau 22: Besoins de chauffage et de climatisation pour l'ensemble du bâtiment hors

animalerie

5.5. Conclusion de la recherche de rénovation énergétique de

l’enveloppe

On remarque les gains importants qui peuvent être réalisés sur les besoins de chauffage, en

agissant conjointement sur les paramètres d’isolation extérieure, de toiture végétalisée et

d’étanchéité. En revanche, les besoins de climatisation augmentent quant à eux

simultanément. Cependant, au vue des fortes charges internes présentes dans les locaux

climatisés, il paraît difficile de réduire significativement les besoins en climatisation. Ainsi,

nous avons favorisé le gain des besoins de chauffage au détriment des besoins de

climatisation.

C’est sur la base de cette solution que nous dimensionnerons les équipements techniques

du bâtiment.



6. Choix et dimensionnement des équipements techniques des

laboratoires Dans cette partie, sera développé le choix des équipements techniques en fonction des

contraintes de l’environnement de travail et des normes qui s’y appliquent.

6.1. Traitement par les centrales de traitement d’air

Les charges enthalpiques et hydriques des laboratoires, ainsi que la compensation des

sorbonnes sont traitées par des CTA dont la répartition et le dimensionnement sont précisés

ci-après.

6.1.1. Répartition des centrales de traitement d’air

Le traitement d’air des laboratoires se fera par quatre CTA. En effet, les débits extraits

pouvant être importants (un total d’environ 15000 m3/h si toutes les sorbonnes fonctionnent

en même temps), il est difficile de traiter cela avec une seule CTA du fait des forts écarts

entre les débits d’extraction minimum et maximum. Le ventilateur ne peut fonctionner de

manière optimale pour un faible débit et pour un fort débit, il ne peut donc pas assurer un tel

écart sans dégradation d’efficacité.

Nous avons ainsi décidé de séparer le traitement des laboratoires en quatre CTA réparties

de la manière suivante (figure 17, page 33). La répartition a été définie selon la proximité des

différents laboratoires. La centralisation se fera donc en un point donné, et les CTA seront

placées en toiture.

Figure 17: Plans de répartition des CTA au RdC (à gauche) et au 1er

étage (à droite)

6.1.2. Dimensionnement des équipements pour un débit « minimal »

Il s’agit dans cette partie, de développer le dimensionnement des centrales de traitement

d’air pour un débit minimal, nécessaire pour vaincre les charges des locaux concernés.



Hypothèses de calcul :

Afin de dimensionner les différentes centrales de traitement d’air, nous avons défini les

conditions d’ambiances avec nos correspondants du DEPE. Ainsi, en hiver les conditions

intérieures requises sont de 20°C et de 50% d’hygrométrie, tandis qu’en été elles sont de

24°C maximum et de 50% d’hygrométrie.

De plus, les hypothèses concernant l’enveloppe ont été définies dans le paragraphe 5.4 et

correspondent à la solution de rénovation retenue. De même, les charges internes ont été

définies précédemment dans le paragraphe 4.2.4.

Enfin, le fonctionnement se fera en tout air neuf, en raison des divers produits chimiques

utilisés, on ne peut recycler l’air extrait.

Choix des diffuseurs :

Les diffuseurs que j’ai choisis, sont des diffuseurs linéaires. Ce choix a été fait en raison des

configurations des pièces. En effet, le faux plafond est nettement plus bas dans les

circulations que dans les laboratoires, ainsi le soufflage de l’air pourrait se faire par une grille

linéaire sur la paroi en contact avec la circulation. Un écart de température de 8K est ainsi

toléré. C’est ce dernier qui nous permettra de définir le débit minimum à mettre en œuvre

pour vaincre les charges des locaux.

Ce procédé permet également de limiter les longueurs de gaines et ainsi les pertes de

charges. De plus, ce système nous évite de mettre des faux plafonds pour faire passer les

gaines et de perdre ainsi du volume dans les laboratoires.

Dimensionnement des équipements :

Nous avons tout d’abord défini les charges limites en chaud et en froid à compenser, à l’aide

de l’outil TRNSYS, c’est-à-dire les cas de fonctionnement des équipements les plus

défavorables. Nous avons ensuite étudié le dimensionnement des éléments des CTA via des

feuilles de calcul Excel et le diagramme de l’air humide. Nous avons ainsi calculé le débit

d’air minimum à souffler pour combattre les charges de chaque local tout en respectant les

conditions de soufflage définies pour des diffuseurs linéaires. Ce débit correspondra au débit

d’air soufflé lorsque les sorbonnes sont éteintes [6].

Le tableau suivant reprend les caractéristiques des quatre CTA définies précédemment :



CTA 1 CTA 2 CTA 3 CTA 4

Débit minimum 370 m3/h 930 m3/h 700 m3/h 370 m3/h

Charges enthalpiques 1,28 kW 3,19 kW 2,36 kW 0,36 kW

Charges hydriques 0,426 kg/h 0,994 kg/h 0,710 kg/h 0,284 kg/h

Conditions d'ambiance

Conditions extérieures

Température de soufflage 16 °C 16 °C 16 °C 19 °C

Puissance batterie froide -2,6 kW -3,8 kW -2,9 kW -1,8 kW

Charges enthalpiques -0,99 kW -0,85 kW -0,89 kW -0,50 kW

Charges hydriques 0 kg/h 0 kg/h 0 kg/h 0 kg/h




Puissance batterie chaude 3,1 kW 8,3 kW 6,2 kW 2,1 kW

Humidificateur 2,0 kg/h 5,3 kg/h 4,0 kg/h 1,3 kg/h

Eté(24 °C ; 50 %)

(30 °C ; 40 %)

Hiver

(20 °C ; 50 %)

(-15 °C ; 90 %)

Tableau 23: Tableau récapitulatif du dimensionnement des éléments des CTA pour un débit

minimal

Remarque : Ces valeurs ne tiennent pas compte de la récupération d’énergie sur l’air extrait.

Elles seront ainsi amoindries avec la mise en place d’une récupération.

Le diagramme de l’air humide ci-dessous, expose les évolutions propres à la CTA 3,

cependant, l’ensemble des CTA fonctionne sur le même principe :

Figure 18: Evolution sur le diagramme de l'air humide, de la CTA 3

Pour le niveau de filtration, des filtres de haute performance ont été choisis afin de filtrer l’air

avant de le rejeter dans l’atmosphère. En effet, on peut y retrouver des particules chimiques

issues des produits utilisés dans les laboratoires, c’est pourquoi des filtres d’une efficacité

H10 à H12 sont requis.

BF

BC

Hum



Les centrales de traitement d’air des laboratoires étant composées de façon similaire, nous

présenterons ici la composition d’une centrale de traitement d’air type :

Figure 19: Schéma de principe aéraulique des laboratoires

1 : Filtre G4 2 : Batterie chaude 3 : Batterie froide 4 : Humidificateur

5 : Batterie de récupération à eau glycolée 6 : Filtre H12 7 : Sorbonnes 8 : Compensation de reprise

6.1.3. Principe de la compensation

Les laboratoires d’études possédant des sorbonnes nécessitent une compensation, pour

assurer la mise en dépression ou surpression par rapport aux locaux environnants. Cette

dépression/surpression doit être constante, ainsi la compensation est généralement gérée

par un système de régulation qui agit sur le soufflage en fonction des débits d’air extraits.

Elle peut être assurée par deux types de système :

- La pression différentielle - Le débit différentiel

La compensation par mesure de pression différentielle (ΔP) est assurée en régulant le

volume soufflé par rapport au débit extrait, de sorte à maintenir une pression définie (5 à 15

Pa) et contrôlée à l'aide d'une sonde calculant la pression différentielle entre le laboratoire et

un local extérieur de référence.

La deuxième méthode, appelée ΔQ, est celle du débit différentiel. Le régulateur de

compensation calcule en permanence le volume à souffler de sorte à respecter un écart de

débit (débit extrait - débit soufflé) permettant d'assurer ledit ΔQ qui assure le confinement du

laboratoire.



Le principe de fonctionnement est le suivant :

Figure 20: Principe de fonctionnement de la compensation [7]

Chaque sorbonne est équipée d'un système de contrôle de vitesse frontale et de gestion de

débit (repère B sur le schéma), fonctionnant de manière autonome. Le contrôle de vitesse

frontale maintient constante la vitesse d’entrée d’air à la guillotine de la sorbonne,

indépendamment de sa hauteur et de la pression dans le réseau, en pilotant le débit

d’extraction.

Les valeurs de débit des sorbonnes sont collectées et transmises au régulateur de soufflage

(repère A) via un bus. Celui-ci est le cœur de la régulation aéraulique du laboratoire. Il pilote

le soufflage de compensation, gère la température, les remontées d'alarmes et

éventuellement l'extraction complémentaire de reprise (repère D) qui assure le taux de

renouvellement d'air, si la somme des débits extraits par les sorbonnes est insuffisante.

Les informations de débit, les alarmes et les commandes sont toutes transmises depuis les

différents éléments, au régulateur de soufflage. La communication avec la GTC est réalisée

via un réseau externe, au moyen d'une carte de communication.

L’air neuf compense en temps réel l’air extrait, en assurant la dépression du local. La

sécurité dépend de cette adéquation.

La technique du VAV (Volume d’Air Variable), mettant en jeu des boucles de régulation

complexes, permet d'adapter finement la consommation énergétique en fonction des besoins

réels du laboratoire, et de réaliser des économies d'énergie très significatives. Le système de

régulation revêt donc une importance déterminante.

6.1.4. Etude de la compensation dans les laboratoires étudiés

Comme nous l’avons évoqué plus haut, aucune compensation n’est en place actuellement

dans les laboratoires, or au vue des débits d’extraction importants dus aux sorbonnes, il

paraît essentiel de remédier à ce problème qui crée de fortes dépressions dans le bâtiment.

Les débits mis en jeu, qui correspondent aux débits maximaux extraits par les sorbonnes,

sont les suivants :



débit maxi

[m3/h]

total maxi

[m3/h]

nombre de

sorbonnes

CTA 1 Laboratoire 141 2907 2907 2

CTA 2 Laboratoire 150 1300 1

Laboratoire 151 1394 1


CTA 3 Laboratoire 124 1825 1



CTA 4 Laboratoire 28 1516 1516 1

3994

6617

Tableau 24: Débits maximum extraits par les sorbonnes

De la même manière que pour les débits minimums, nous avons défini les caractéristiques

des différents éléments de la CTA lorsque le débit d’air à compenser est maximum, c’est-à-

dire quand toutes les sorbonnes d’un groupement (voir figure 17, page 33 pour la répartition

des CTA) fonctionnent en même temps.

Le tableau suivant expose les caractéristiques des différents éléments des CTA :


Débit maximum 2907 m3/h 3994 m3/h 6617 m3/h 370 m3/h














Eté(24 °C ; 50 %)

(30 °C ; 40 %)

Hiver

(20 °C ; 50 %)

(-15 °C ; 90 %)


maximal

Remarque : Ces valeurs ne tiennent pas compte de la récupération d’énergie sur l’air extrait.

Elles seront ainsi amoindries avec la mise en place d’une récupération.

Si l’on prend désormais en compte la récupération via un échangeur d’une efficacité de 80%,

cela permet de préchauffer l’air extérieur à 14°C et ainsi, de faire des économies importantes

sur les puissances de batteries chaudes principalement. Le tableau suivant expose ces

résultats :




Débit maximum 2907 m3/h 3994 m3/h 6617 m3/h 370 m3/h














Hiver

(20 °C ; 50 %)

(-15 °C ; 90 %)

Eté(24 °C ; 50 %)

(30 °C ; 40 %)


maximal, avec récupération sur l'air extrait

Enfin nous avons envoyé les éléments dimensionnant que nous avons déterminés à travers

cette étude (débits d’air, niveaux de filtration, températures à l’entrée et à la sortie des

batteries, régimes d’eau, ...) à Robatherm afin qu’ils puissent sélectionner les éléments des

CTA.

6.1.5. Principe de régulation

Afin d’étudier le principe de compensation dans le cas particulier de notre projet, nous avons

fait appel à la société TROX. L’utilisation de régulateur de débit a été retenue, ils se

présentent sous la forme suivante :

Figure 21: Régulateur de débit circulaire avec servomoteur [8]



Afin de limiter au maximum les dépenses d’énergie inutiles, le système suivant a été proposé

pour réguler le débit d’air soufflé en fonction du débit d’air extrait :

Figure 22: Schéma de principe de la régulation sur la compensation [8]

En effet, un bus de communication alimenté en 0-10V permet de contrôler le débit d’air

extrait via les sorbonnes. Ces dernières n’étant pas constamment en fonctionnement, il est

nécessaire de connaître le débit d’air extrait à chaque instant, afin de connaître le débit d’air

à compenser. Ce bus communique alors le débit d’air extrait par les sorbonnes, grâce à des

capteurs de vitesse et de pression placés dans l’enceinte de la sorbonne, au servomoteur

placé dans la gaine d’air soufflé. Ce dernier ajustera le débit d’air soufflé à partir d’un clapet

de réglage.

Cependant, il faut également assurer une compensation de reprise dans le cas où toutes les

sorbonnes seraient éteintes. Effectivement, il est indispensable de garantir un débit d’air neuf

hygiénique dans la pièce.

6.1.6. Récupération d’énergie

En raison des débits extraits relativement importants mis en jeu dans les laboratoires, nous

avons envisagé une solution de récupération d’énergie sur l’air extrait. Actuellement,

l’extraction des sorbonnes se fait individuellement et l’air extrait est rejeté à l’extérieur, sans

aucune récupération d’énergie. C’est pourquoi nous avons décidé de mettre en place une

centralisation des sorbonnes, afin de valoriser au mieux l’énergie récupérable via l’air extrait.

Pour cela, nous avons mis en place des batteries à eau glycolée sur les différentes CTA.

Cette dernière permet de récupérer l’énergie sur l’air extrait pollué par les produits

chimiques, en évitant tout contact avec l’air neuf. Nous avons choisi ici un échangeur avec

une efficacité de 80%.



Figure 23: Schéma de principe de la récupération avec eau glycolée

7. Choix et dimensionnement des équipements techniques des

bureaux et locaux divers

7.1. Système de poutres climatiques pour les bureaux

Pour assurer le chauffage et le rafraîchissement des bureaux, nous avons étudié le système

de poutres climatiques plus communément appelées « poutres froides ». Nous verrons tout

d’abord le principe de ce système, puis l’application à nos locaux.

7.1.1. Principe de fonctionnement

Une poutre climatique émet sa puissance de refroidissement principalement par convection,

autrement dit, par l'air ambiant qui circule en traversant la batterie de refroidissement.

La poutre climatique peut aussi être raccordée à un circuit d'air primaire pour pouvoir servir

de diffuseur et, dans ce cas, grâce à l'effet d'induction, amplifier la puissance de

refroidissement de la poutre. C'est la poutre climatique « active ».

Figure 24: Schéma de principe de fonctionnement d'une poutre froide [8]

Les poudres froides actives fournissent de l’air primaire à partir d’une centrale pour maintenir

la qualité de l’air intérieur tout en assurant le rafraîchissement et/ou le chauffage par le biais

d’une batterie.



L’air primaire est rejeté dans la chambre de mélange de la poutre via des buses. De fait, l’air

secondaire est induit via une grille d’entrée d’air et passe ensuite à travers les batteries dans

la chambre de mélange. Là, il est mélangé avec l’air primaire et l’air d’alimentation total est

rejeté horizontalement dans l’espace via des diffuseurs linéaires intégraux. Le soufflage

horizontal dans l’espace entraîne une distribution d’air à « écoulement mixte ». La vitesse du

diffuseur linéaire est choisie de sorte que l’air d’alimentation pénètre dans la zone de séjour

afin de maintenir la qualité d’air dans l’espace sans créer de courants d’air. Suite à

l’induction de l’air de la pièce dans le jet d’air d’alimentation de l’espace, le différentiel de

température du jet d’air se réduit et la température diminue.

La puissance de la poutre climatique se régule le plus souvent à l'aide d'une vanne deux

voies qui peut également commander plusieurs poutres climatiques suivant la puissance et

la flexibilité souhaitées. Les poutres climatiques travaillent selon le principe du

refroidissement « sec » (au-dessus du point de rosée). La température d'arrivée de

refroidissement doit toujours être supérieure au point de rosée de l'air ambiant.

7.1.2. Dimensionnement des poutres froides

Dans un premier temps, sera étudiée la mise en place de poutres froides pour rafraîchir les

bureaux l’été, tout en gardant les radiateurs pour chauffer l’hiver. Dans ce cas, l’apport d’air

neuf est toujours assuré par les poutres froides.

Dans un deuxième temps, sera traitée la mise en place de poutres froides « réversibles ».

C’est-à-dire qui ont une fonction rafraichissante en été et chauffante en hiver.

Hypothèses de calcul :

Les conditions intérieures définies avec nos correspondants du DEPE, sont en hiver de 20°C

et de 50% d’hygrométrie et en été de 26°C et de 50% d’hygrométrie. Les équipements ont

ainsi été dimensionnés pour répondre à ces contraintes thermiques.

En fonction rafraichissante, l’air primaire est préparé en centrale de traitement d’air à 14°C et

le régime d’eau de la batterie froide est de 16°C à l’entrée et de 19°C à la sortie.

Dans le cas du chauffage, l’air primaire est préparé à 20°C en centrale et le régime d’eau de

la batterie chaude est généralement de 40°C à l’entrée et de 35°C en sortie.

Le débit minimum d’air neuf hygiénique pour des bureaux est imposé par le code du travail

[13], il est de 25 m3/h par occupant. C’est ce dernier que nous avons pris en compte pour le

dimensionnement des équipements. Il correspond au volume d’air primaire injecté dans les

poutres froides.

Dimensionnement des équipements :

Dans un premier temps, nous avons travaillé sur le dimensionnement de la centrale de

traitement d’air, qui assure la préparation de l’air primaire pour les poutres froides. Le

principe est le même que pour le dimensionnement des CTA des laboratoires, développé

dans le paragraphe 6.1.2.



Nous avons également choisi un échangeur à eau glycolée pour récupérer la chaleur de l’air

extrait et préchauffer l’air extérieur en hiver. On choisit alors un échangeur avec une

efficacité de 80% qui permet de préchauffer l’air extérieur à 14°C environ en hiver.

Le tableau suivant reprend les caractéristiques définies pour les différents éléments de la

CTA :

Sans récupération Avec récupération

Débit minimum 3650 m3/h 3650 m3/h

Charges enthalpiques 19,56 kW 19,56 kW

Charges hydriques 11,840 kg/h 11,840 kg/h

Conditions d'ambiance (26 °C ; 50 %) (26 °C ; 50 %)

Conditions extérieures (30 °C ; 40 %) (30 °C ; 40 %)

Température de soufflage 14 °C 14 °C

Puissance batterie froide -25,4 kW 20,1 kW

Charges enthalpiques -31,55 kW -31,55 kW

Charges hydriques 0 kg/h 0 kg/h

Conditions d'ambiance (20 °C ; 50 %) (20 °C ; 50 %)

Conditions extérieures (-15 °C ; 90 %) (-15 °C ; 90 %)

Température de soufflage 20 °C 20 °C

Puissance batterie chaude 40,4 kW 7,2 kW

Humidificateur 26,7 kg/h 26,7 kg/h

CTA bureaux

Eté

Hiver

Tableau 27: Tableau récapitulatif du dimensionnement de la CTA des zones bureaux

Le modèle ci-dessous représente de façon schématique le traitement des locaux de type

bureaux :

Figure 25: Schéma de principe aéraulique des bureaux

1 : Filtre F7 2 : Batterie chaude 3 : Batterie froide

4 : Humidificateur 5 : Batterie de récupération à eau glycolée 6 : Poutre froide



Ensuite, pour le dimensionnement des poutres froides, nous avons utilisé un logiciel créé par

TROX, téléchargeable via leur site internet, on le trouve sous le nom EPF (Easy Product

Finder) [9]. Nous avons ainsi dimensionné les poutres froides pour une quarantaine de

locaux, des bureaux pour la plupart.

Il s’agit ainsi de définir les caractéristiques d’entrée telles que le débit d’air primaire, les

conditions d’ambiance de la pièce (température et hygrométrie), le régime d’eau de la

batterie, ainsi que les dimensions du local. On peut alors choisir un dimensionnement pour

faire uniquement du froid, ou pour faire à la fois du chaud et du froid.

Enfin, le logiciel nous fournit en sortie les vitesses frontales, les gradients de température, la

puissance de la poutre froide, la puissance sur l’eau, ainsi que divers résultats acoustiques.

Le tableau suivant présente les résultats pour les poutres froides d’une seule aile, étant

donné le nombre de poutres dimensionnées (une cinquantaine), les autres ailes seront

détaillées en annexe.

Longueur Largeur

1 900 mm 593 mm 50 m3/h 539 W 55 l/h 342 W 40 l/h

5 900 mm 593 mm 25 m3/h 411 W 300 l/h 320 W 200 l/h

1 900 mm 593 mm 50 m3/h 447 W 30 l/h 342 W 40 l/h

2 1200 mm 593 mm 100 m3/h 867 W 50 l/h 712 W 70 l/h

Puissance de

chauffage

Débit d'eau

chaude

Nombre de poutres

identiques

Dimensions Débit air

primaire

Puissance de

refroidissement

Débit d'eau

glacée

Tableau 28: Tableau des caractéristiques techniques des poutres froides de l'aile 1

Remarque : Les régimes d’eau sont détaillés dans les hypothèses de calcul.

Ces informations ont ainsi été envoyées à TROX afin qu’ils puissent sélectionner le matériel.

7.2. Traitement des locaux climatisés

Le bâtiment du DEPE abrite également des locaux climatisés, au nombre de 6. Il s’agit de

locaux présentant de fortes charges internes, comme par exemple le laboratoire de

spectrométrie dont les apports internes sont d’environ 12 kW, ou encore le local congélateur

avec 10 kW. Les apports internes étant constamment présents, il est nécessaire de les

combattre via des systèmes de climatisation. Différents systèmes seront alors envisagés,

tels que des systèmes multisplits ou encore des poutres froides.

7.2.1. Système de splits VRV à condensation par eau

Ventilation :

La mise en place de splits nécessitant un apport d’air neuf indépendant, ce dernier sera

assuré par la CTA commune aux bureaux. Cependant, l’air neuf étant préparé à 14°C en

centrale pour le besoin des poutres froides, un système split avec caisson de mélange sera

envisagé. En hiver en revanche, l’air est préparé à 20°C en centrale, étant donné que ces

pièces sont en général climatisées à 20°C ±1K, cela ne pose pas de problème.



Récupération d’énergie :

La mise en place de splits à condensation par eau a été choisie dans le but de récupérer

l’énergie produite. De plus, un compresseur à régulation Inverter permet à l’unité extérieure

de moduler sa puissance selon la demande en rafraîchissement de la zone en question.

Le potentiel de récupération des différentes pièces, sera développé dans le paragraphe 7.3.

7.2.2. Système de poutres froides

Le système de poutres froides est le même que nous avons défini dans le paragraphe 7.1.

7.3. Récupération d’énergie

Comme il a été évoqué précédemment, certains locaux présentent de fortes charges

internes, qui pourraient constituer une source de récupération d’énergie relativement

importante. Cependant, actuellement aucun système de récupération n’est mis en place, ces

sources d’énergie « gratuites » sont totalement inexploitées. Nous verrons dans un premier

temps une estimation du potentiel de récupération et dans un deuxième temps sera

développé le système envisagé pour récupérer l’énergie des congélateurs.

7.3.1. Estimation du potentiel de récupération

Au vue des fortes charges générées par les différents équipements, nous avons pu estimer

le potentiel de récupération d’énergie disponible. Ainsi, en considérant un coefficient de

performance en froid de 2, on a :

Pev/(Pcd – Pev) = 2

En raisonnant sur le local congélateur seul, avec une puissance à l’évaporateur de 10 kW,

on obtient une puissance au condenseur de : 1.5*10 = 15 kW. De plus, en évaluant une

saison de chauffe à 234 jours, on trouve un potentiel de récupération de : 15*234*24=84240

kWh. Le même principe peut être appliqué aux différents locaux présentant de fortes

charges internes. On obtiendrait ainsi environ 185000 kWh de potentiel de récupération. Afin

d’obtenir le réel potentiel de récupération, il faudrait pondérer cette valeur par le temps

d’utilisation des appareils, car hormis les congélateurs qui fonctionnent 24h/24, le reste des

appareils ne fonctionnent pas forcément de la même manière.

Cependant, comme on peut le constater sur le graphique suivant (figure 26, page 46), un

appoint est néanmoins nécessaire lorsque le besoin en chauffage est trop important pour

être couvert par la simple récupération d’énergie, cela est caractérisé par la zone noircie sur

le schéma ci-dessous. De plus, un surplus sera également observé lorsque le besoin en

chauffage est faible (partie rayée sur le schéma).



Figure 26: Représentation schématique des besoins en chauffage par rapport au potentiel de

récupération

Remarque : Notons toutefois le fort potentiel de récupération disponible dans les différents

locaux concernés.

7.3.2. Système de récupérateur par condenseur à eau

Le local traité dans cette partie abrite 24 congélateurs dont 8 produisent du froid jusqu’à -

80°C et les 16 autres, du froid jusqu’à -25°C. Nous avons fait appel au bureau d’études Nova

Energies [10] qui présente plusieurs références de projets avec récupération d’énergie sur

de tels appareils.

Le principe est le suivant, on remplace le condenseur à air traditionnel de ces machines,

pour le remplacer par un condenseur à eau sur nappe (figure 27, page 46). En effet, la

nappe phréatique étant présente et peu profonde sur l’ensemble de la ville, il paraît

relativement intéressant de profiter de ces caractéristiques.

1 : Evaporateur 2 : Compresseur 3 : Détendeur 4 : Capteur de pression 5 : Condenseur 6 : Vanne de régulation motorisée

Figure 27: Modifications entre le système actuel et le système proposé



On différencie ainsi deux types de fonctionnement :

Fonctionnement en période de chauffage :

Le but est, dans ce cas, de raccorder le condenseur à eau à l’évaporateur d’une pompe à

chaleur, afin d’en récupérer l’énergie. Le principe est décrit par le schéma suivant :

Figure 28: Principe de récupération d'énergie en hiver

Fonctionnement en période estivale :

Dans ce cas, en revanche, le condenseur à eau sera raccordé à la nappe phréatique. On

peut alors schématiser le fonctionnement de la manière suivante :



Figure 29: Principe de fonctionnement en période estivale

Les avantages d’un tel système sont tout d’abord la réduction des consommations, mais

également l’amélioration de la longévité des machines. Effectivement, le principe est de

stabiliser la haute pression par rapport à la basse pression, ainsi les composants de la

machine auront une durée de vie plus longue.

On pourrait également envisager de raccorder le retour du condenseur à un ballon tampon,

lorsque la température de retour serait supérieure à la température du ballon. Ceci constitue

d’autres pistes de réflexion sur la récupération d’énergie, actuellement en cours.

8. Planning des étapes suivantes Les points décrits ci-après feront l’objet de ma concentration sur les prochaines semaines :

- Finaliser le choix et le dimensionnement des équipements.

- Etablir le schéma de principe hydraulique de l’ensemble du bâtiment hors animalerie,

en incluant les principes de récupération d’énergie sur les différents systèmes.

- Etablir le schéma de régulation des installations retenues.

- Estimer la consommation d’énergie en tenant compte du potentiel de récupération.

- Finaliser le chiffrage en termes d’enveloppe et d’équipements.

Le planning suivant sera donc suivit :

Du 29 mai au 1er juin

Du 4 juin au 8 juin

Du 11 juin au 15 juin

Du 18 juin au 22 juin

Du 25 juin au 30 juin Exploitation des données collectées et rédaction du rapport final à communiquer au CNRS

Demandes de chiffrage des propositions exposées

Calcul de consommation des propositions formulées



9. Conclusion Dans un premier temps nous avons réalisé un diagnostic énergétique du bâtiment, qui nous

a permis de mettre en valeur les postes de fortes consommations énergétiques.

Nous avons ensuite pu cibler les postes à améliorer à travers une rénovation de l’enveloppe.

Une isolation par l’extérieur a donc été retenue, associée à un renforcement de l’isolation du

porte-à-faux. Le choix de mise en place d’une toiture terrasse dans ce cas, vient appuyer,

conjointement aux performances thermiques de cette dernière, l’engagement

environnemental des acteurs de ce projet. Enfin, le renforcement de l’étanchéité du bâtiment

paraît indispensable au vue des pertes importantes qu’elle génère actuellement.

Pour répondre aux exigences du client, et offrir un environnement de travail plus confortable

aux personnes concernées, tout en maîtrisant les dépenses d’énergie, nous avons choisi de

mettre en place un système de poutres froides dans les bureaux. De même, dans les

laboratoires, nous gèrerons la compensation inexistante à ce jour, ainsi que l’ambiance, par

des centrales de traitement d’air. Les pièces climatisées seront gérées par des splits VRV, et

l’apport d’air neuf hygiénique sera traité par une CTA commune au traitement des bureaux.

Enfin, au vue du fort potentiel de récupération d’énergie des appareils utilisés, nous avons

retenu un système de condenseur à eau pour les congélateurs. De plus, des batteries de

récupération à eau glycolée seront envisagées dans les différentes CTA.

Finalement, ce projet de fin d’études a été très enrichissant pour moi, tant d’un point de vue

d’autonomie au niveau du travail, que par la diversité des domaines étudiés. En effet, nous

avons eu la chance de mener un projet complet, en débutant par une phase d’audit

énergétique, puis en travaillant sur l’enveloppe et les différents équipements techniques, ce

qui nous a permis de côtoyer les différents domaines du génie climatique en mettant à profit

les connaissances assimilées tout au long de notre formation.

De plus, l’étude de laboratoires possédant des sorbonnes, représente une certaine

complexité liée à la compensation des débits importants mis en œuvre. Le respect des

normes régissant l’utilisation de produits chimiques apporte également une dimension

réglementaire au projet.

Enfin, l’étude de la récupération d’énergie, notamment sur les congélateurs, permet de

prendre réellement conscience des économies qui peuvent être réalisées sur les différents

postes.

Finalement, le bâtiment du DEPE possède un important potentiel d’économies d’énergies,

inexploité à ce jour.



10. Bibliographie

[1] : An. : TRaNsient SYstem Simulation 17, Université du Wisconsin

[2] : An. : Sorbonnes de laboratoire - Guide pratique de ventilation, Institut National de

Recherche et de Sécurité (INRS), 2ème édition, Mars 2009

[3] : An. : Méthode 3CL-DPE, Version 15C

[4] : www.isover.fr

[5] : www.soprema.fr

[6] : Bernard FLAMENT, Cours de traitement d’air (1) et (2)

[7] : www.irian.fr

[8] : An. : Régulation de débit - Guide de conception, TROX

[9] : An. : Easy Finder Product, TROX

[10] : www.nova-energies.fr

[11] : www.energieplus-lesite.be

[12] : Jean-François BOUTET, Amélioration énergétique des bâtiments existants –

Diagnostic énergétique

[13] : An. : Code du travail, Décret nº 2002-1553, Décembre 2002

Documents

Rénovation énergétique d’un laboratoire du CNRS Mai …eprints2.insa-strasbourg.fr/...Pauline_BOULANGER.pdf · Les besoins de chauffage et de climatisation ont été estimés